Материал: Шевелюк, М. И. Теоретические основы проектирования жидкостных ракетных двигателей учебное пособие для высших учебных заведений

§7. Определение теплотворности топлива

Втеории ЖРД принято различать полное и неполное сгорание

топлива.

Полным называется такое сгорание топлива, во время которого один из его компонентов (находящийся в недостатке относительно стехиометрически потребного количества) полностью расходуется на образование продуктов сгорания, неспособных больше гореть.

Неполным называется такое сгорание топлива, во время кото­

рого один из его компонентов (находящийся в недостатке относи­ тельно стехиометрически потребного количества) расходуется ча­ стично на образование продуктов полного сгорания и частично та­ ких продуктов, которые при определенных условиях еще способны гореть.

Количество теплоты, выделяющееся при полном сгорании едини­ цы веса или объема топлива, приведенное к стандартным условиям, принято называть теплотворностью топлива.

Так как за единицы количества топлива приняты 1 кмоль, 1 кг

и 1 л, то принято различать молярную, весовую и объемную тепло­ творность топлива.

Поскольку топливо может иметь стехиометрический и нестехио­

метрический рабочий составы из горючего и окислителя, то также следует различать теплотворность топлива:

1) стехиометрическую (при а=1), обычно приводимую в спра­ вочной литературе, и

Принято также различать для топлива или его компонентов:

1) высшую теплотворность — количество тепла, выделившегося при сгорании единицы топлива или его компонента, без учета при стандартных условиях тепла, уходящего с парами воды, образовав­ шимися в процессе сгорания топлива;

2) низшую теплотворность — то же с учетом тепла, уходящего

с парами воды.

Высшая теплотворность не характерна для оценки топлива или его компонентов, так как практически не все выделяемое тепло при охлаждении продуктов сгорания до стандартных условий может

быть использовано в двигателе. Поэтому при тепловых расчетах процессов принимают значение низшей теплотворности топлива. Теплотворность топлива в общем случае может обусловливаться теплом, выделяющимся при сгорании горючих элементов горючего

иокислителя.

Втабл. 5. 7 приведены значения стехиометрической теплотвор­ ности некоторых горючих..

Если в горючем или окислителе содержится вода, то для ее испарения нужно затратить некоторое количество тепла, на величи­ ну которого снижается их теплотворность.

Таблица 5. 7

Теплотворность некоторых горючих при сжигании в кислороде

Теплотворности и энтальпии продуктов переработки нефти даже для погонов с одинаковым удельным весом обычно не одинаковы.

Их значения зависят от месторождения и характеристик исходной нефти, а также от ее переработки. Поэтому для практических расче­ тов часто приходится пользоваться некоторыми средними значения­ ми теплотворности и энтальпии нефтепродуктов, вычисленными в зависимости от их элементарных составов и удельных весов.

Низшая молярная стехиометрическая теплотворность при тем­ пературе 20° С может быть определена по формулам:

где 94 051 и 57 785 — низшая стехиометрическая теплотворность со­

ответственно углерода и водорода при полном сжигания их в кислороде (см. табд. 5.7)

в ккал/кмоль;

Ci, hi и с2, h2 — числа атомов соответственно углерода и водо­ рода в 1 кмоле горючего и окислителя;

0,5hi и 0,5h2— число кмолей паров воды, образующихся при полном сгорании 1 кмоля безводного горюче­ го и соответственно окислителя;

9718 — количество теплоты, затрачиваемое на испа­ рение 1 кмоля воды при давлении 1 атм

Если известны низшие рабочие весовые теплотворности горюче­ го и окислителя, то низшую рабочую весовую теплотворность топ­ лива можно определить по формуле

где Хо — весовой стехиометрический коэффициент состава топлива. При коэффициенте избытка окислителя а^-1 теплотворность

топлива равна химической энергии, определяемой по формулам:

симостей молекулярных и весовых химических энергий и теплотвор­ ностей любого заданного топлива в зависимости от коэффициента избытка окислителя а (фиг. 5. 12).

Низшая весовая стехиометрическая теплотворность топлив, при­ меняемых в современных двигателях, Ни^ 1400-4-2500 ккал/кг.

В табл. 5. 8 приведены значения низшей стехиометрической теп­ лотворности этилового и метилового спиртов при различных их кон­ центрациях в водных растворах.

Если в качестве горючего или окислителя применяются сжижен­

ные газы, т. е. жидкости, температура кипения которых ниже услов­

но принятой температуры начала реакции (обычно 15—20°С), то при определении теплотворности топлива в этом случае необходимо

учесть тепло, расходуемое на испарение этого компонента и нагрев

его до температуры t°C, пользуясь формулой

пливных баков и системы топливоподачи двигателя составляет значительную часть

веса снаряда, то при выборе компонентов топлива для проектиру­ емого двигателя снаряда за критерий калорийности топлива можно

брать его объемную теплотворность.

Пример 9. Определить низшую стехиометрическую теплотворность топлива ( а = 1), состоящего из керосина и азотной кислоты 98%-ной весовой концен­ трации, если Сг = 85,75%, Нг = 13,50% и Ог = 0,75%, На г = 10 230 ккал)кг, 7г = 0,841 «г/л и ч0(100%) = 1,520 «г/л.